Theoretical research on the ground state destabilization hypothesis in enzymatic reactions

酶反应基态失稳假说的理论研究

基本信息

批准号：
22K05045
负责人：
石田豊和
金额：
$ 2.58万
依托单位：
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

本研究の目的は「基底状態での基質不安定化が酵素反応を加速する」という依然として未解明の作業仮説にに関して、非経験的量子化学計算と経験的分子力場を融合した複合シミュレーション技術（いわゆる ab initio QM/MM計算）を基礎として、構造解析に基づく蛋白質構造情報から基質歪みの重要性が示唆される酵素に対して、触媒効果を理論／計算化学の視点から解明することにある。今回は特に、中性子構造解析により生理条件下でプロトン化状態が完全に決定されたバイオマス分解酵素のキシラナーゼ（Xylanase）を具体例として、大規模量子化学計算を基礎とした精密分子計算により酵素基質複合体の活性中心近傍の構造を詳細に解析することで、触媒反応の本質であるβグリコシド結合加水分解過程における基質不安定化（基質歪み）とタンパク質構造変化との相関を詳細に解析していく。基底状態不安定化仮説を検証するために２つのアプローチで計算化学研究を実施しており、まずは直接的な検証として、QM領域を大きくとったQM/MM計算を実施して反応過程における活性中心の構造変化を追跡し、各種の実験データ（高分解能X線結晶構造および中性子構造）との比較検討を通して、反応前後のタンパク質質構造変化の詳細を確認する。また並行して、本酵素系の特徴として反応環境の柔軟性（具体的には反応温度/pHの広さ）が知られており、反応場の柔軟性が酵素活性に及ぼす影響を通して酵素タンパク質の特異性を調べるため、反応温度および局所的なpH環境を変化させた酵素反応過程の自由エネルギー計算を実施することで、タンパク質と基質の相互作用を多様な視点から解析して、活性中心近傍の構造変化が酵素活性に及ぼす影響を検討した。

这项研究的目的是使用基于所谓的从头计算量子化学计算和经验分子力场相结合的复合模拟技术来研究尚未探索的工作假设，即“基态下的底物不稳定会加速酶反应”。从头开始 QM/MM 计算，我们的目的是阐明酶的催化作用，其中底物变形的重要性是从理论/计算化学角度基于结构分析的蛋白质结构信息得出的。这次，我们将重点关注木聚糖酶，这是一种通过中子结构分析在生理条件下完全确定质子化状态的生物质降解酶，作为具体例子，我们将详细分析蛋白质活性中心附近的结构。详细分析β-糖苷键水解过程中底物失稳（底物畸变）与蛋白质结构变化的相关性，这是催化反应的本质。为了验证基态失稳假说，我们正在使用两种方法进行计算化学研究，首先，作为直接验证，我们将使用大QM区域进行QM/MM计算，以研究反应过程中的活性中心。追踪蛋白质的结构变化，并与各种实验数据（高分辨率X射线晶体结构和中子结构）进行比较，以确认反应前后蛋白质结构变化的细节。同时，已知反应环境的灵活性（具体来说，反应温度范围/pH范围）是该酶系统的特征，并且反应场的灵活性影响酶活性。为了研究特异性，我们。在改变反应温度和局部pH环境的同时对酶促反应过程进行自由能计算，并从不同角度分析蛋白质-底物相互作用，研究结构变化对酶活性的影响。